Контрольная работа по "Материаловедению"

     Задание 1: По диаграмме состояний железо-цементит опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с содержанием углерода С = 3,8%. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при температуре 800° С количество, состав фаз и процентное соотношение. Постройте кривую охлаждения сплава. 

     Решение 1: Сплавы железа с углеродом, имеющие промышленное применение, называются чугунами и сталями. Наибольшее количество углерода в этих сплавах достигает 6,67%.

     Если в сплаве содержится 93,33% Fe и 6,67% С, то при кристаллизации образуется химическое соединение, называемое карбидом железа или цементитом (Fe₃C).

Сплавы Fe – Fe₃C с содержанием углерода до 6,67% имеют большое практическое значение.

     Рис. 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

     На рис. 1 показана диаграмма состояния сплавов Fe – Fe₃C. По оси ординат отложены температура, а по оси абсцисс – концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует содержанию 100% Fe, а правая ордината – содержанию 6,67% С или 100% цементита Fe₃C.

     Температура плавления железа – 1535° С (точка А на диаграмме); температура плавления цементита Fe₃C – 1550° С (точка D на диаграмме); температура 910° С (точка G) соответствует аллотропическому превращению железа α ↔ γ; точка Е характеризует максимальную растворимость углерода в γ железе при 1130° С (2,0% С); линия ACD – линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидуса); линия AECF —линия конца кристаллизации сплавов (линия солидуса); линия GSE – линия начала перекристаллизации сплавов в твердом состоянии; линия PSK (температура 723° С) – линия конца превращений структурных составляющих в твердом состоянии.

     При затвердевании железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие:

     1) Аустенит — твердый раствор углерода в Fe_γ Он имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и под микроскопом представляется в виде светлых зерен с характерными двойными линиями. Твердость аустенита НВ 220; он немагнитен и при охлаждении сплавов существует только до температуры 723° С.

     2) Феррит — твердый раствор углерода в Fe_α; он имеет кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, его свойства близки к свойствам чистого железа: пластичен ( δ=50%); мягок (НВ 80); предел прочности σ_в= 250 Мн/м² (25 кГ/мм²); до температуры 768° С он обладает магнитными свойствами.

     3) Цементит или карбид железа Fe₃C обладает высокими твердостью (НВ 800) и хрупкостью; различают три формы цементита:

     а) первичный цементит (Ц₁), выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава;

     б) вторичный цементит (Ц₂), выделяющийся из твердого раствора аустенита;

     в) третичный цементит (Ц₃), выделяющийся из твердого раствора феррита.

     Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц-пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими – частицы третичного.

     До температуры 210° С цементит обладает магнитными свойствами.

     Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется из аустенита при перекристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8% С. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение, в зависимости от этого его механические свойства колеблются в следующих пределах: НВ 160—230; σ_в = 630 ÷ 820 Мн/м² (63—82 кГ/мм²); δ = 15 ÷ 20%.

     Ледебурит– эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита образуется при температуре 1130° С (точка С на диаграмме) и содержит 4,3% С; он твердый (НВ 700) и хрупкий. Ледебурит является структурной составляющей белых чугунов.

     В зависимости от концентрации углерода и структуры стали и чугуны подразделяют на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура – феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура – перлит; заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,0%); структура – перлит и вторичный цементит; доэвтектические (белые) чугуны (от 2 до 4,3%); структура – ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит; эвтектический белый чугун (4,3% С); структура –ледебурит; заэвтектические белые чугуны (от 4,3 до 6,67% С); структура – ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.

     Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.

     Рис. 4. Диаграмма состояния железо-цементит и кривая охлаждения доэвтектического чугуна с С = 3,8%

     Доэвтектические чугуны начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава – линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемая ледебуритом LC →АE+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При дальнейшем охлаждении (участок 2 – 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727°С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3’). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Лвид+ЦII, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

     Согласно рис. 1 содержание цементита в сплаве с содержанием С = 3,8% при температуре 800° С около 58%, следовательно содержание перлита – 100%-58% = 42%. На рис. 4б изображена кривая охлаждения и структура белого доэвтектического чугуна при нормальной температуре (20° С). 
 

     Задание 2. Расшифруйте заданную марку сплава. Объясните влияние элементов, входящих в сплав. Постройте график термической обработки детали для получения заданных механических свойств. Деталь – трубопровод 015Х10М2Б, НВ 160. 

     Решение 2. 015Х10М2Б – сталь высоколегированная, коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Сталь предназначена для изготовления теплообменного оборудования энергетических установок, работающих в условиях воздействия пароводяной среды высоких параметров (трубные системы сепараторов-пароперегревателей, парогенераторов, бойлеров, конденсаторов, греющих секций испарителей, а также трубных досок и корпусов теплообменников с толщиной стенки не более 10 мм). Макисмальная температура в указанных условиях – 350° С. Сталь рекомендуется для применения в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, а также в условиях, где требуется высокая устойчивость к хлоридному растрескиванию. Сталь может быть испаользована как жаростойкий материал для ненагруженных деталей, работающих при температуре 900° С.

     Состав:

     Рассмотрим влияние примесей:

     Марганец. Его вводят в любую сталь для раскисления FeO + Mn → MnO + Fe, т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа, растворяет в феррите и цементите. Повышает прочность стали в горячекатаных изделиях. Введение марганца в сталь уменьшает вредной влияние серы, т. к. при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца: FeS + Mn →MnS + Fe.

     Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции: 2FeO + Si → 2Fe + SiO₂. Структурно не обнаруживается, т. к. полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений. Легирование кремнием хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

     Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Растворяясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость стали. В отдельных случаях фосфор желателен, т. к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

     Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов – продукт горения топлива (SO₂). Содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02 – 0,03%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующийся при 988° С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800° С и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости. Вследствие красноломкости сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением. С этой точки зрения сера является вредной примесью в стали. Как и фосфор, сера облегчает обрабатываемость резанием.

     Хром слабо упрочняет феррит, способствует некоторому повышению порога хладноломкости. Повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также замедлению процесса распада мартенсита.

     Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение, которое медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250ۥ С.

     Ниобий делает сталь кислотостойкой.

     Алюминий повышает окалиностойкость металла.

     Молибден помогает противостоять коррозии, увеличивает красностойкость и прочность металла.

     Никель помогает противостоять коррозии, повышает прочность и пластичность стали.

     Медь увеличивает антикоррозионные свойства.

     Термообработкой стали можно существенно изменить ее механические свойства. Для некоторых применений ее нагревают, а затем происходит закалка стали путем быстрого охлаждения. В отожженном состоянии сталь даже с высоким содержанием углерода достаточно пластична для того, чтобы можно было придать ей форму нужного инструмента или другого изделия. Затем ее обычно закаливают. При этом предел прочности стали может увеличиться в 10 раз, а пластичность – во столько же раз уменьшиться. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки. Закаленная специальная сталь пригодна для резания всех других металлов, кроме самых твердых.